JP5979301B2 - Power transmission device and power reception device - Google Patents
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Description
本発明は、非接触方式で電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a wireless power transmission system that transmits power in a contactless manner.
代表的なワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルへ磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式のものが知られている。このワイヤレス電力伝送システムでは、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、各装置の小型化が難しい。 As a typical wireless power transmission system, a magnetic field coupling system is known in which power is transmitted from a primary coil of a power transmission device to a secondary coil of a power reception device using a magnetic field. In this wireless power transmission system, when transmitting power by magnetic field coupling, the magnitude of the magnetic flux passing through each coil greatly affects the electromotive force. Therefore, high accuracy is required for the relative positional relationship between the primary coil and the secondary coil. The Moreover, since coils are used, it is difficult to reduce the size of each device.
一方、特許文献1に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムも知られている。このワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。電界結合方式は、結合電極の相対位置精度が磁界結合方式よりも緩く、また、結合電極の小型化及び薄型化が可能である。 On the other hand, an electric field coupling type wireless power transmission system as disclosed in Patent Document 1 is also known. In this wireless power transmission system, power is transmitted from the coupling electrode of the power transmission apparatus to the coupling electrode of the power receiving apparatus via an electric field. In the electric field coupling method, the relative positional accuracy of the coupling electrode is looser than that of the magnetic field coupling method, and the coupling electrode can be reduced in size and thickness.
電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムの結合電極は、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される。電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて高い電力伝送効率を得るには、電界結合係数を極力高めることが重要である。そのため、送電装置側のアクティブ電極と受電装置側のアクティブ電極との対向面積を大きくし、送電装置側のパッシブ電極と受電装置側のパッシブ電極との対向面積を大きくすることが有効である。また、送電装置に受電装置が接している状態で、アクティブ電極同士の間隙およびパッシブ電極同士の間隙を狭くするため、各電極表面の絶縁層の厚みを薄くすることも有効である。 The coupling electrode of the electric field coupling type wireless power transmission system includes an active electrode and a passive electrode. In order to obtain high power transmission efficiency in an electric field coupling type wireless power transmission system, it is important to increase the electric field coupling coefficient as much as possible. Therefore, it is effective to increase the facing area between the active electrode on the power transmitting device side and the active electrode on the power receiving device side, and to increase the facing area between the passive electrode on the power transmitting device side and the passive electrode on the power receiving device side. It is also effective to reduce the thickness of the insulating layer on the surface of each electrode in order to narrow the gap between the active electrodes and the gap between the passive electrodes while the power receiving apparatus is in contact with the power transmitting apparatus.
しかし、受電装置のパッシブ電極の電位は、DC的またはAC的に受電装置の基準電位であることが一般的に好都合である。この場合、受電装置の基準電位を安定化する意味で、受電装置のパッシブ電極の電位を安定化する必要がある。そのためには、送電装置側のパッシブ電極と受電装置側のパッシブ電極との間に生じる容量が、送電装置側のアクティブ電極と受電装置側のアクティブ電極との間に生じる容量より大きいことが条件となる。すなわち、送電装置のパッシブ電極と受電装置のパッシブ電極との対向面積を確保することで、アクティブ電極同士の対向面積は相対的に小さくなる。したがって、送電装置と受電装置との限られた対向面積で高い結合係数を確保しつつ受電装置の基準電位の安定化を図ることは困難であった。 However, it is generally convenient that the potential of the passive electrode of the power receiving device is the reference potential of the power receiving device in terms of DC or AC. In this case, in order to stabilize the reference potential of the power receiving device, it is necessary to stabilize the potential of the passive electrode of the power receiving device. For this purpose, the capacitance generated between the passive electrode on the power transmission device side and the passive electrode on the power reception device side is larger than the capacitance generated between the active electrode on the power transmission device side and the active electrode on the power reception device side. Become. That is, by ensuring a facing area between the passive electrode of the power transmission device and the passive electrode of the power receiving device, the facing area between the active electrodes becomes relatively small. Therefore, it has been difficult to stabilize the reference potential of the power receiving device while securing a high coupling coefficient with a limited facing area between the power transmitting device and the power receiving device.
そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、パッシブ電極の面積を過度に大きくすることなくパッシブ電極間の容量値を確保できるようにしたワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置および受電装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power transmitting device and a power receiving device in a wireless power transmission system that can secure a capacitance value between passive electrodes without excessively increasing the area of the passive electrodes. It is in.
本発明に係るワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置は、送電側アクティブ電極および送電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、この筐体と送電側アクティブ電極との間に配される第1誘電体と、前記筐体と送電側パッシブ電極との間に配される第2誘電体と、を備え、第2誘電体の誘電率は第1誘電体の誘電率よりも高い。 A power transmission device in a wireless power transmission system according to the present invention includes a housing in which a power transmission side active electrode and a power transmission side passive electrode are disposed, and a first dielectric disposed between the housing and the power transmission side active electrode. And a second dielectric disposed between the housing and the power transmission side passive electrode, and the dielectric constant of the second dielectric is higher than the dielectric constant of the first dielectric.
この構成では、パッシブ電極間の静電容量値を第2誘電体の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。したがって、小型でありながら電力伝送効率の高い送電装置が構成できる。 In this configuration, the capacitance value between the passive electrodes can be earned by the dielectric constant of the second dielectric. That is, the capacitance value between the passive electrodes can be increased without increasing the area of the passive electrodes. Therefore, it is possible to configure a power transmission device that is small but has high power transmission efficiency.
また、この構成では、アクティブ電極間の静電容量値に比べてパッシブ電極間の静電容量値をより増大させることができるため、パッシブ電極間の電圧変動値を抑えることができる。したがって、送電装置のパッシブ電極の電位を安定化できる。 Further, in this configuration, the capacitance value between the passive electrodes can be increased more than the capacitance value between the active electrodes, so that the voltage fluctuation value between the passive electrodes can be suppressed. Therefore, the potential of the passive electrode of the power transmission device can be stabilized.
本発明に係るワイヤレス電力伝送システムにおける受電装置は、受電側アクティブ電極および受電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、この筐体と受電側アクティブ電極との間に配される第1誘電体と、前記筐体と送電側パッシブ電極との間に配される第2誘電体と、を備え、第2誘電体の誘電率は第1誘電体の誘電率よりも高い。 A power receiving device in a wireless power transmission system according to the present invention includes a housing in which a power receiving side active electrode and a power receiving side passive electrode are disposed, and a first dielectric disposed between the housing and the power receiving side active electrode. And a second dielectric disposed between the housing and the power transmission side passive electrode, and the dielectric constant of the second dielectric is higher than the dielectric constant of the first dielectric.
この構成では、パッシブ電極間の静電容量値を第2誘電体の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。したがって、小型でありながら電力伝送効率の高い受電装置が構成できる。 In this configuration, the capacitance value between the passive electrodes can be earned by the dielectric constant of the second dielectric. That is, the capacitance value between the passive electrodes can be increased without increasing the area of the passive electrodes. Therefore, it is possible to configure a power receiving device that is small and has high power transmission efficiency.
また、この構成では、アクティブ電極間の静電容量値に比べてパッシブ電極間の静電容量値をより増大させることができるため、パッシブ電極間の電圧変動値を抑えることができる。したがって、受電装置のパッシブ電極の電位を安定化できる。 Further, in this configuration, the capacitance value between the passive electrodes can be increased more than the capacitance value between the active electrodes, so that the voltage fluctuation value between the passive electrodes can be suppressed. Therefore, the potential of the passive electrode of the power receiving device can be stabilized.
本発明に係る送電装置または受電装置は、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。 The power transmitting device or power receiving device according to the present invention can increase the capacitance value between the passive electrodes without increasing the area of the passive electrodes.
以下、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a wireless power transmission device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本発明の第1実施形態について説明する。 First, a first embodiment of the present invention will be described.
図1は、受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のパッシブ電極間が容量結合したときの等価回路図である。 FIG. 1 is an equivalent circuit diagram when the passive electrodes of both devices are capacitively coupled when the power receiving device is mounted on the power transmitting device.
送電装置100は、入力電源106および交流電力発生回路107を備えている。入力電源106は、100V〜230Vの交流電圧から変換した5V、12V等の直流電圧電源であり、交流電力発生回路107へ出力する。交流電力発生回路107は、インバータ108、昇圧トランスTG及びインダクタLG等により構成され、送電側アクティブ電極120および送電側パッシブ電極130の間に高周波高電圧を印加する。この電圧の周波数は例えば100kHz〜10MHzの範囲である。
The
受電装置200の受電側アクティブ電極220と受電側パッシブ電極230との間には、インダクタLL、降圧トランスTLおよび負荷RLによる負荷回路205が接続されている。負荷RLは、図示しない整流平滑回路及び二次電池で構成されている。
A
図2は、受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のアクティブ電極間およびパッシブ電極間の電圧波形を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating voltage waveforms between the active electrodes and the passive electrodes of both devices when the power receiving device is mounted on the power transmitting device.
受電装置200と送電装置100の送受対向面同士を対向させると、アクティブ電極120,220間が容量結合し、パッシブ電極130,230間が容量結合する。これにより、アクティブ電極120,220間に所定の電圧V1が印加され、パッシブ電極130,230間に所定の電圧V2が印加される。
When the transmission / reception facing surfaces of the
アクティブ電極120,220間に生じる容量(C1)を通る電荷=パッシブ電極130,230間に生じる容量(C2)を通る電荷=Qとすると、Q=C1・V1=C2・V2である。したがって、C1<C2ならばV1>V2となる。
If the charge passing through the capacitance (C1) generated between the
すなわち、アクティブ電極120,220間の容量に比べてパッシブ電極130,230間の容量を大きくすると、パッシブ電極間電圧V2は小さくなり、受電装置200の基準電位(パッシブ電極230の電位)変動は小さくなる。
That is, when the capacitance between the
図3は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。図4は、送電装置の構成を示す平面図である。図5は、送電装置の構成を示すA−A断面図である。 FIG. 3 is a side cross-sectional view illustrating configurations of the power transmission device and the power reception device. FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the power transmission device. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA showing the configuration of the power transmission device.
送電装置100は、筐体110、アクティブ電極120、パッシブ電極130、第1誘電体140および第2誘電体150を備える。
The
筐体110の上面は平板状に形成されている。筐体110は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのABS等、剛性の高い素材で構成される。
The upper surface of the
アクティブ電極120は、筐体110内に配される。アクティブ電極120は、平面視において矩形状を呈する。アクティブ電極120は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。アクティブ電極120は、筐体110内において接着剤122で固着している。アクティブ電極120およびパッシブ電極130は交流電力発生回路107と電気的に接続されている。
The
パッシブ電極130は、筐体110内においてアクティブ電極120に近接して配されている。具体的には、パッシブ電極130は、平面視において、アクティブ電極120に対して所定距離だけ離間してアクティブ電極120を囲むように配されている。パッシブ電極130は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。パッシブ電極130は、筐体110内において接着剤132で固着している。
The
第1誘電体140は、筐体110とアクティブ電極120との間に配されている。第1誘電体140は、筐体110に対して接着剤等で固着している。第1誘電体140は、例えば、セラミック等の絶縁体から構成される。第1誘電体140の誘電率は100未満である。例えばアクティブ電極120−220間に生じる容量の単位面積当たりの容量は0.046pF/mm2程度であり、アクティブ電極120の面積が900mm2としてその面積すべてにおいてアクティブ電極220と対向する場合、アクティブ電極120−220間に生じる容量は41pF程度である。The
第2誘電体150は、筐体110とパッシブ電極130との間に配されている。第2誘電体150は、筐体110に対して接着剤等で固着している。第2誘電体150は、第1誘電体140の誘電率よりも誘電率が高い材料で構成される。第2誘電体150の誘電率は、第1誘電体140の誘電率の100倍以上であることが好ましい。例えばパッシブ電極130−230間に生じる容量の単位面積当たりの容量は6.67pF/mm2程度であり、パッシブ電極130の面積が5414mm2としてその面積すべてにおいてパッシブ電極230と対向する場合、パッシブ電極130−230間に生じる容量は3.6nF程度である。The
この構成では、パッシブ電極130,230間の容量値を第2誘電体150の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極130の面積を増大することなくパッシブ電極130,230間の静電容量値を増大することができる。したがって、送電装置100および受電装置200の大型化を抑制することができる。
In this configuration, the capacitance value between the
また、この構成では、アクティブ電極120,220間の容量値に比べてパッシブ電極130,230間の容量値を大きくしているため、パッシブ電極130,230間に掛かる電圧は小さくなる。したがって、パッシブ電極130,230の電位を安定させることができる。
Further, in this configuration, since the capacitance value between the
図6は、受電装置の構成を示す平面図である。図7は、受電装置の構成を示すB−B断面図である。 FIG. 6 is a plan view illustrating a configuration of the power receiving device. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB showing the configuration of the power receiving device.
受電装置200は、筐体210、アクティブ電極220、パッシブ電極230、第1誘電体240および第2誘電体250を備える。受電装置200は、例えば、携帯電話、タブレットPC、ノート型PCなどの電子機器が装着されて使用されるものである。
The
筐体210の下面は平板状に形成されている。筐体210は剛性が高い素材で構成されている。筐体210は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのABS等で構成される。
The lower surface of the
アクティブ電極220は、筐体210内に配されている。アクティブ電極220は、平面視において矩形状を呈する。アクティブ電極220は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。アクティブ電極220は、筐体210内において接着剤等で固着されている。アクティブ電極220およびパッシブ電極230には負荷回路205の一部205Pが接続されている。この負荷回路の一部205Pは図1に示した負荷回路205のうち負荷RL以外の部分であり、タブレットPCのコネクタに刺さるプラグまたはレセプタクルを備えている。
The
パッシブ電極230は、筐体210内においてアクティブ電極220に近接して配される。具体的には、パッシブ電極230は、平面視において、アクティブ電極220に対して所定距離だけ離間してアクティブ電極220を囲むように配される。パッシブ電極230は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。パッシブ電極230は、筐体210内において接着剤等で固着している。
The
第1誘電体240は、筐体210とアクティブ電極220との間に配されている。第1誘電体240は、筐体210に対して接着剤等で固着されている。第1誘電体240は、例えば、セラミック等の絶縁体から構成される。第1誘電体240の誘電率は、100未満である。
The
第2誘電体250は、筐体210とパッシブ電極230との間に配されている。第2誘電体250は、筐体210に対して接着剤等で固着されている。第2誘電体250は、第1誘電体240の誘電率よりも誘電率が高い材料で構成される。第2誘電体250の誘電率は、第1誘電体240の誘電率の100倍以上であることが好ましい。
The
この構成では、パッシブ電極230,130間の容量値を第2誘電体250の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極230の面積を増大することなくパッシブ電極230,130間の容量値を増大することができる。したがって、受電装置200の大型化を抑制することができる。
In this configuration, the capacitance value between the
また、この構成では、アクティブ電極220,120間の容量値に比べてパッシブ電極230,130間の容量値を増大させているため、パッシブ電極230,130間に掛かる電圧は小さくなる。したがって、パッシブ電極230,130間の電位を安定させることができる。
In this configuration, since the capacitance value between the
図8および図9は、送電装置の構成の別の例を示す平面図である。 8 and 9 are plan views illustrating another example of the configuration of the power transmission device.
パッシブ電極130は、平面視において、アクティブ電極120を完全に囲っていなくてもよい。また、パッシブ電極130は、平面視において、アクティブ電極120を挟んで対向して配されていてもよい。このように、アクティブ電極120およびパッシブ電極130の配置は特に限定されない。
The
また、第2誘電体150の厚みは、第1誘電体140の厚みと同じであると好ましい。
The thickness of the
この構成では、送電装置100の製造が容易となり、送電装置100全体としてコストダウンをすることができる。
With this configuration, the
さらに、第2誘電体250の厚みは、第1誘電体240の厚みと同じであると好ましい。
Furthermore, the thickness of the
この構成では、受電装置200の製造が容易となり、受電装置200全体としてコストダウンをすることができる。
With this configuration, the
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態以降の各実施形態においては、第1実施形態で説明した内容を適宜省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In each of the embodiments after this embodiment, the contents described in the first embodiment are omitted as appropriate.
図10は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。 FIG. 10 is a side cross-sectional view illustrating configurations of the power transmission device and the power reception device.
送電装置100は、第1実施形態の構成に加えて、筐体110と第2誘電体150との間に配された導電性ゴム160をさらに備える。導電性ゴム160は本発明の導電体に相当する。
The
この構成では、筐体110とパッシブ電極130との間に導電性ゴム160が配されているため、筐体110とパッシブ電極130との間の距離が確保される。すなわち、パッシブ電極130とパッシブ電極230との間の距離が確保される。したがって、パッシブ電極130とパッシブ電極230との間で放電が発生することを抑制することができる。
In this configuration, since the
また、この構成では、導電性ゴム160は所定の導電性を有するため、静電容量素子として考えた場合、導電性ゴム160はパッシブ電極130の一部と考えることができる。すなわち、パッシブ電極130とパッシブ電極230との電極間距離は、筐体110,210の厚みと第2誘電体150,250の厚みを足したもののみであるので、静電容量を発生させる電極間距離が実質的に短くなる。したがって、パッシブ電極130とパッシブ電極230との間で大きな静電容量を発生させることができるため、放電が発生することを抑制しつつ、パッシブ電極130ー230間の所定の容量を得ることができる。
In this configuration, since the
また、上記では、導電ゴム160は筺体110と第2誘電体150との間に配されているが、筺体110と第1誘電体140との間に配されていてもよい。
In the above description, the
導電性ゴム160は、第2誘電体150よりも柔らかい素材で構成されると好ましい。そのことにより、導電性ゴム160はクッション材の機能を有するため、第2誘電体150に対する衝撃を吸収することで第2誘電体150を保護することができる。
The
次に、本発明の第3実施形態について説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described.
図11は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。 FIG. 11 is a side cross-sectional view illustrating configurations of the power transmission device and the power reception device.
筐体110は、金属材料から構成されている。筐体110の外表面は、金属酸化物で被覆されている。例えばアルミニウム基材の表面を酸化処理(アルマイト処理)することで絶縁膜を形成している。この構成では、金属酸化物の厚みは例えば20μm〜30μm程度である。
The
また上記では、筺体110の外表面が金属酸化物で被覆されているが、筺体210の外表面が金属酸化物で被覆されていてもよい。
In the above description, the outer surface of the
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Finally, the description of the above-described embodiment is to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the claims. Furthermore, the scope of the present invention is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
100−送電装置
110−筐体
120−アクティブ電極
130−パッシブ電極
140−第1誘電体
150−第2誘電体
160−導電性ゴム(導電体)
200−受電装置
210−筐体
220−アクティブ電極
230−パッシブ電極
240−第1誘電体
250−第2誘電体100-power transmission device 110-housing 120-active electrode 130-passive electrode 140-first dielectric 150-second dielectric 160-conductive rubber (conductor)
200-Power receiving device 210-Housing 220-Active electrode 230-Passive electrode 240-First dielectric 250-Second dielectric
Claims (4)
送受対向面に沿って設けられている受電側アクティブ電極および受電側パッシブ電極と、第1端が前記受電側アクティブ電極に接続され、第2端が前記受電側パッシブ電極に接続された負荷回路と、を有する受電装置と、
を備えるワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置において、
前記送電側アクティブ電極および前記送電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、
前記筐体と前記送電側アクティブ電極との間に配される第1誘電体と、
前記筐体と前記送電側パッシブ電極との間に配される第2誘電体と、
前記筐体と前記第1誘電体または前記第2誘電体との間に配された導電体と、
を備え、
前記第2誘電体の誘電率は、前記第1誘電体の誘電率よりも高い、送電装置。 AC power generation in which a power transmission side active electrode and a power transmission side passive electrode provided along a transmission / reception facing surface, a first end connected to the power transmission side active electrode, and a second end connected to the power transmission side passive electrode A power transmission device having a circuit;
A power-receiving-side active electrode and a power-receiving-side passive electrode provided along a transmission / reception facing surface; a load circuit having a first end connected to the power-receiving-side active electrode and a second end connected to the power-receiving-side passive electrode; A power receiving device having
In a power transmission device in a wireless power transmission system comprising:
A casing in which the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode are arranged, and
A first dielectric disposed between the housing and the power transmission side active electrode;
A second dielectric disposed between the housing and the power transmission side passive electrode;
A conductor disposed between the housing and the first dielectric or the second dielectric;
With
The power transmission device, wherein a dielectric constant of the second dielectric is higher than a dielectric constant of the first dielectric.
前記筐体の送受対向面と前記送電側パッシブ電極との間の距離は、前記筐体の送受対向面と前記送電側アクティブ電極との距離よりも大きい、請求項1または2に記載の送電装置。 The conductor is disposed between the housing and the second dielectric;
The power transmission device according to claim 1 or 2 , wherein a distance between the transmission / reception facing surface of the casing and the power transmission side passive electrode is larger than a distance between the transmission / reception facing surface of the casing and the power transmission side active electrode. .
前記筐体の外表面は、金属酸化物で被覆されている、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の送電装置。 The housing is made of a metal material,
The outer surface of the housing is coated with a metal oxide,
The power transmission device according to any one of claims 1 to 3 .
Applications Claiming Priority (3)
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